第7章思考题与习题 7-1 与单回路系统相比，串级控制系统有哪些主要特点？ 解答：P212—7.1.2 7-2 分析串级系统的工作原理，说明为什么副回路的存在会使系统抑制扰动的能力增强。 解答：P208—7.1.1 7-5 在串级控制系统中当主回路为定值（设定值）控制时，副回路也是定值控制吗？为什么？ 解答：P212 不是，副回路是随动控制。 7-8 在某生产过程中，通过加热炉对冷物料加热，根据工艺要求，需对热物料出口温度进行严格控制。对系统分析发现，主要扰动为燃料压力波动。故设计如图7-43所示的控制系统。要求： （1）画出控制系统框图； （2）为保证设备安全，炉温不能过高。确定调节阀的气开、气关形式。 （3）确定两个调节器的正反作用。 解答： （1）控制系统框图如图所示。 （2）气开式。 （3）副调节器：反作用； 主调节器：反作用。 7-9 简述前馈控制的工作原理，与反馈控制相比，它有什么优点和局限？ 解答： 1）当系统出现扰动时，立即将其测量出来，通过前馈控制器，根据扰动量的大小来改变控制量，以抵消扰动对被控参数的
影响。P221 2）优点：前馈控制器在扰动出现时立即进行控制，控制及时，对特定扰动引起的动、静态偏差控制比较有效。 局限：P224—1）、2） 7-10 为什么一般不单独采用前馈控制方案？ 解答： 由于前馈控制的局限性。 7-14 图7-44为一单回路水位控制系统。如果蒸气用量经常发生变化，为了改善控制质量，将单回路控制系统改为前馈-反馈复合控制系统，画出控制系统工艺流程图和框图，并对新增回路的功能进行简单说明。 解答： 1）控制系统工艺流程图如图所示。 控制系统框图如图所示。 2）新增回路功能说明： 7-19 物料比值K与控制系统比值系数K'有何不同？怎样将物料比值转换成控制系统比值系数K'？ 解答： 1）K是工艺规定的流量比；K'是仪表信号之间的比例系数。 2）用P234式（7-37）和P235式（7-38）进行转换。
7.3比值控制系统 生产过程中，经常需要几种物料的流量保持一定的比例关系。例如，在锅炉的燃烧系统中，要保持燃料和空气量的一定比例，以保证燃烧的经济性。 定义：实现两个或多个参数符合一定比值关系的控制系统，称为比值控制系统。 例如要实现两种物料的比例关系，则表示为： Q2=K Q1 其中：K—比值系数；Q 1—主流量；Q 2 —副流量。
7.3.1 比值控制系统的种类 1. 开环比值控制系统 如图Q 1是主流量，Q 2是副流量。流量变送器FT 检测主物料流量Q 1；由控制器FC 及安装在副物料管道上的阀门来控制副流量Q 2。 FC Q 1 Q 2此控制K 方案的优点： 结构简单、成本低。缺点 是无抗干扰能力，当副流 管线压力等改变时，不能 保证所要求的比值。 控制目标：Q 2＝K Q 1图8-14开环比值控制方块图 P
结构简单，只需一台纯比例控制器，其比例度可以根据比值要求来设定。主、副流量均开环； 这种比值控制方案对副流量Q 2本身无 抗干扰能力。所以这种系统只能适用于副流量较平稳且比值要求不高的场合。
2. 单闭环比值控制系统 为了克服开环比值控制的不足，在开环比值控制的基础上，增加对副流量的闭环控制。特点：? 对Q 2进行闭环控制，比值控制精度提高。 ? 控制目标：Q 2=K Q 1 ?对Q 1只测量、不控制。Q 1变化，Q 2跟着变化，总流量不稳定。 F 1T Q 1 Q 2 K F 2T F 2C
图8-16单闭环比值控制系统方块图 它能实现副流量随主流量的变化而变化即Q 2=KQ 1 ，还 可以克服副流量本身干扰对比值的影响。 结构简单，实施方便，尤其适用于主物料在工艺上不允许进行控制的场合。 虽然能保持两物料量比值一定，但由于主流量是不受控制的，当主流量变化时，总的物料量就会跟着变化。 P PID
简单控制系统 §5.1 简单控制系统设计原则 简单控制系统（单回路控制系统）是指由一个受控对象、一个测量变送器、一个控制器和一个执行机构（控制阀）所组成的闭环控制系统。 一、被控变量的选择 被控变量选择方法 方法一：选择能直接反映生产过程中产品产量和质量又易于测量的参数作为被控变量，称为直接参数法。 方法二：选择那些能间接反映产品产量和质量又与直接参数有单值对应关系、易于测量的参数作为被控变量，称为间接参数法。 选择被控变量的原则 1. 选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护具有决定性作用的、可直接测量的工艺参数为被控变量。 2. 当不能用直接参数作为被控变量时，可选择一个与直接参数有单值函数关系并满足如下条件的间接参数为被控变量。 ⑴满足工艺的合理性 ⑵具有尽可能大的灵敏度且线形好 ⑶测量变送装置的滞后小。 二、操纵变量的选择 选择操纵变量，就是从诸多影响被控变量的输入参数中选择一个对被控变量影响显著而且可控性良好的输入参数，作为操纵变量，而其余未被选中的所有输入量则视为系统的干扰。 1. 对象静态特性对控制质量的影响 ＫＯ应适当大些。 扰动通道放大倍数K f越小越好。Ｋf小表示扰动对被控变量的影响小，系统可控性好。 小结：选择操纵变量构成控制系统时，从静态角度考虑，在工艺合理性的前提下，扰动通道的放大倍数Ｋf越小越好，控制通道放大倍数ＫＯ希望适当大些，以使控制通道灵敏些。 2. 对象动态特性的影响 对象的动态特性一般可由时间常数Ｔ和纯滞后τ来描述。 设扰动通道时间常数为Ｔf，纯滞后为τf；控制通道的时间常数为Ｔo，纯滞后为τo。下面我们分别进行讨论。 ⑴对扰动通道特性的影响 Ｔf对控制质量的影响
第七章过程控制控制系统习题及答案 一、填空 1. 单回路控制系统由传感器、调节器、执行器和被控对象组成。 2. 一个包含伺服放大器的电动调节阀，实际上是一个以调节器送来的信号为给定值、阀门位置信号为被控参数的单回路控制系统，该系统所采用的调节规律是位式调节规律。 3. 单回路控制器常见的五种控制规律是位式控制规律、比例控制规律、比例积分控制规律、比例微分控制规律及比例积分微分控制规律。 4. 当对象调节通道和测量元件的时间常数T 0较大，纯滞后τ很小，即τ/ T 很 小时，应用微分作用可以获得相当良好的效果。 5. 当对象调节通道时间常数T 较小，系统负荷变化较大时，为了消除干扰引起的余差，除了比例作用外还应采用积分作用。 6. 串级控制系统有两个控制回路。 7. 串级控制系统的内回路是一个随动控制系统，其给定值为外回路中的主调节器输出。 8. 串级控制系统主要用于控制通道时间常数太大的被控系统。 9. 串级控制系统副调节器一般选择比例调节规律，最好不采用积分调节作用，他会牺牲副回路的快速性，彻底消除偏差也不是副回路的职责，微分调节作用也是不能采用的，否则一旦主调节器的输出稍有变化就会引起执行机构的大幅度动作，加大其磨损。 10. 串级控制系统的主调节器最好包含积分控制作用，以保证干扰被彻底克服。 11. 某个干扰能否用前馈控制系统来克服的前提条件是该干扰信号可测量。 12. 单纯的前馈控制系统能实现良好控制效果的前提是能获得相应干扰通道精确的数学模型。 二、选择 1. 串级控制系统的副回路一般采用的调节规律是（A）。 （A）比例调节规律（B）比例积分微分（C）比例微分（D）比例积分2. 对串级控制系统副回路的要求是（B）。 （A）消除稳态误差（B）快速克服主要干扰（C）消除所有干扰（D）消除主干扰3. 单回路控制系统由（A）组成。 （A）控制器、执行器、变送器和被控对象（B）控制器、执行器和变送器（C）输入、反馈、控制器和执行器（D）PID调节器、变送器和电动调节阀 三、判断 1. 串级控制系统有内外两个控制回路，主副两个调节器、两个执行器和两个被控对象。（×） 只有一个执行器，一个被控对象被分为了主对象和副对象。 2. 采用一步整定法对串级控制系统进行参数整定是考虑到对副变量控制的要求不高，允许它在一定范围内变化这一前提，根据经验先将副调节器一次放好，不再变动，然后按一般单回路控制系统的整定方法直接整定主调节器参数。（√） 3. 由于串级控制系统副回路具有快速性的特点，所以应将所有干扰包含在副回路中，以使干扰被快速克服。（×） 如果要将副回路包含所有的干扰，则副回路必然变得冗长而失去其快速性的优点，违背了串级控制系统设计的原则。 4. 串级控制系统中，副回路的控制目的就是稳定副变量。（×）
第3章习题与思考题 3-1.简单控制系统由哪几部分组成？各部分的作用是什么？ 解答： 简单控制系统由检测变送装置、控制器、执行器及被控对象组成。 检测变送装置的作用是检测被控变量的数值并将其转换为一种特定输出信号。 控制器的作用是接受检测装置送来的信号，与给定值相比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果送往执行器。 执行器能自动地根据控制器送来的控制信号来改变操纵变量的数值，以达到控制被控变量的目的。 被控对象是指需要控制其工艺参数的生产设备或装置。 3-2.什么叫直接参数和间接参数？各使用在什么场合？ 解答： 如果被控变量本身就是需要控制的工艺指标，则称为直接参数；如果被控变量本身不是需要控制的工艺指标，但与其有一定的间接对应关系时，称为间接参数。 在控制系统设计时，尽量采用直接参数控制，只有当被控变量无法直接检测，或虽能检测，但信号很微弱或滞后很大，才考虑采用间接参数控制。 3-3.被控变量的选择应遵循哪些原则？ 解答： 被控变量的正确选择是关系到系统能否达到预期控制效果的重要因素，它选择的一般原则是： （1）被控变量应能代表一定的工艺操作指标或是反映工艺操作状态重要变量； （2）被控变量应是工艺生产过程中经常变化，因而需要频繁加以控制的变量；
（3）被控变量应尽可能选择工艺生产过程的直接控制指标，当无法获得直接控制指标信号，或其测量或传送滞后很大时，可选择与直接控制指标有单值对应关系的间接控制指标； （4）被控变量应是能测量的，并具有较大灵敏度的变量； （5）被控变量应是独立可控的； （6）应考虑工艺的合理性与经济性。 3-4.操纵变量的选择应遵循哪些原则？ 解答： （1）操纵变量应是工艺上允许加以控制的可控变量； （2）操纵变量应是对被控变量影响诸因素中比较灵敏的变量，即控制通道的放大系数要大一些，时间常数要小一些，纯滞后时间要尽量小； （3）操纵变量的选择还应考虑工艺的合理性和生产的经济性。 3-5.简述选择调节器正、反作用的目的，如何选择? 解答： 其目的是使控制器、执行器、对象三个环节组合起来，能在控制系统中起负反馈作用。 一般步骤，首先由操纵变量对被控变量的影响方向来确定对象的作用方向，然后由工艺安全条件来确定执行器（调节阀）的气开、气关型式，最后由对象、执行器、控制器（调节器）三个环节组合后为“负”来确定控制器的正、反作用。（变送器总为正作用） “对象”ד执行器”ד控制器”=“负反馈” 3-6.被控对象、执行器、控制器的正、反作用方向各是怎样规定的？ 解答：
第6章思考题与习题 6-1 简单控制系统由几个环节组成？ 解答： 测量变送器、调节器、调节阀、被控过程四个环节组成。 6-2 简述控制方案设计的基本要求。 解答： 安全性、稳定性、经济性。 6-3 简单归纳控制系统设计的主要内容。 解答： 1）控制系统方案设计； 2）工程设计； 3）工程安装和仪表调校； 4）调节器参数整定。 6-4 过程控制系统设计包括哪些步骤？ 解答：P174 （1）熟悉和理解生产对控制系统的技术要求与性能指标 （2）建立被控过程的数学模型 （3）控制方案的确定 （4）控制设备选型 （5）实验（或仿真）验证 6-5 选择被控参数应遵循哪些基本原则？什么是直接参数？什么是间接参数？两者有何关系？ 解答： 1）原则：必须根据工艺要求，深入分析、生产过程，找出对产品的产量和质量、生产安全、经济运行、环境保护、节能降耗等具有决定性作用，能较好反映生产工艺状态及变化的参数作为被控参数。
2）直接参数：能直接反映生产过程中产品产量和质量，又易于测量的参数3）间接参数：与质量指标有单值对应关系、易于测量的变量，间接反映产品质量、生产过程的实际情况。 4）两者关系：间接参数是直接参数的单值函数。 6-6 选择控制变量时，为什么要分析被控过程的特性？为什么希望控制通道放大系数 K要大、时间常数o T小、纯滞后时间oτ越小越好？而干扰通道的放大系o 数 K尽可能小、时间常数f T尽可能大？ f 解答： 1）控制变量和干扰变量对被控参数的影响都于过程的特性密切相关。 2）控制通道的静态放大系数K0越大，系统的静态偏差越小，表明控制作用越灵敏，克服扰动的能力越强，控制效果越好。 时间常数T0小，被控参数对控制变量的反应灵敏、控制及时，从而获得良 好的控制品质。 纯滞后τ0的存在会使系统的稳定性降低。τ0值越大，对系统的影响越大。3）扰动通道的静态放大系数Kf越小，表明外部扰动对被控参数的影响越小。时间常数Tf越大，外部干扰f（t）对被控参数y（t）的影响越小，系统的控制品质越好。 6-7 当被控过程存在多个时间常数时，为什么应尽量使时间常数错开？ 解答：P182 由自控理论知识可知，开环传递函数中几个时间常数值错开，可提高系统的 工作频率，减小过渡过程时间和最大偏差等，改善控制质量。 6-8 选择检测变送装置时要注意哪些问题？怎样克服或减小纯滞后？ 解答： 1）P184-1、2、3、4 2）合理选择检测点。
第五章简单控制系统 教学要求：掌握简单控制系统的组成 掌握被控变量的选择方法及原则 掌握操纵变量的选择方法及原则，学会分析对象静态、动态特性对控制质量的 影响。 了解系统设计中的测量变送问题 掌握控制器控制规律的选择及控制器正反作用选择 了解简单控制系统的投运过程及参数整定方法 通过单回路控制系统的设计实例讲解，掌握单回路控制系统的设计重点：被控变量、操纵变量的选择 控制器正反作用选择 难点：操纵变量的选择 控制器正反作用选择 §5.1 简单控制系统设计原则 简单控制系统（单回路控制系统）是指由一个受控对象、一个测量变送器、一个控制器和一个执行机构（控制阀）所组成的闭环控制系统。 一、被控变量的选择 被控变量选择方法 方法一：选择能直接反映生产过程中产品产量和质量又易于测量的参数作为被控变量，称为直接参数法。 方法二：选择那些能间接反映产品产量和质量又与直接参数有单值对应关系、易于测量的参数作为被控变量，称为间接参数法。 选择被控变量的原则 1. 选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护具有决定性作用的、可直接测量的工艺参数为被控变量。 2. 当不能用直接参数作为被控变量时，可选择一个与直接参数有单值函数关系并满足如下条件的间接参数为被控变量。 ⑴满足工艺的合理性
⑵具有尽可能大的灵敏度且线形好 ⑶测量变送装置的滞后小。 二、操纵变量的选择 选择操纵变量，就是从诸多影响被控变量的输入参数中选择一个对被控变量影响显著而且可控性良好的输入参数，作为操纵变量，而其余未被选中的所有输入量则视为系统的干扰。 1. 对象静态特性对控制质量的影响 ＫＯ应适当大些。 扰动通道放大倍数K f越小越好。Ｋf小表示扰动对被控变量的影响小，系统可控性好。 小结：选择操纵变量构成控制系统时，从静态角度考虑，在工艺合理性的前提下，扰动通道的放大倍数Ｋf越小越好，控制通道放大倍数ＫＯ希望适当大些，以使控制通道灵敏些。 2. 对象动态特性的影响 对象的动态特性一般可由时间常数Ｔ和纯滞后τ来描述。 设扰动通道时间常数为Ｔf，纯滞后为τf；控制通道的时间常数为Ｔo，纯滞后为τo。下面我们分别进行讨论。 ⑴对扰动通道特性的影响 Ｔf对控制质量的影响 纯滞后τf对控制质量的影响 ⑵对控制通道的影响 在选择操纵变量构成控制系统时，应使对象控制通道中τ0适当小些，设法减小τ0。 3. 操纵变量的选择原则 ⑴要构成的控制系统，其控制通道特性应具有足够大的放大系数，比较小的时间常数及尽可能小的纯滞后时间。 ⑵系统主要扰动通道特性应该具有尽可能大的时间常数和尽可能小的放大系数。 ⑶考虑工艺上的合理性。如生产负荷直接关系到产品的质量，就不宜选为操纵变量。 例：乳化物干燥塔操纵变量的选择 三、系统设计中的测量变送问题 1. 纯滞后 2. 测量滞后 3. 传送滞后 传送滞后------信号传送过程中引起的滞后。主要指的是气信号的传送，对于电信号这种传送滞后可以忽略不计。 四、控制器对控制规律及正反作用的选择 1. 控制器对控制规律的选择 复习基本控制规律对过渡过程的影响。 控制规律选择的原则是： 1. 对于一些对象控制通道滞后较小，负荷变化不大，工艺要求又不太高的控制系统，可选用比例控制器。象贮罐的液面，以及不太重要的蒸汽压力等控制系统。 2. 对象控制通道滞后较小，负荷变化不大，但不允许有余差的情况，可选用比例积分控制器。例如流量、管道压力等控制系统往往采用ＰＩ控制器。
1 光伏发电系统的简介 1.1 光伏发电系统的背景 当今世界的能源支配中，以化石燃料为主。2011年我国的能源消费结构中化石能源占92%，非化石能源仅占8%.在国外国内双重压力下，能源调整不得不为之，“十二五”期间，国家出台了一系列的可再生能源产业政策。 太阳能是最丰富的可再生能源，光伏发电技术为太阳能的利用开辟了广阔的空间。同时，太阳能光伏发电具有安全可靠、无污染、就地发电等优点，使得该技术快速的发展。 1.2 光伏发电系统的简介 光伏发电系统是将太阳能直接转换成电能的发电系统，利用的是光生伏打效应。光伏发电系统分为独立太阳能光伏发电系统和并网太阳能光伏发电系统。 独立的太阳能光伏发电系统示意图如下： 图1 独立的太阳能光伏发电系统示意图 并网的太阳能光伏发电系统示意图如下：
图2 并网的太阳能光伏发电系统示意图 太阳能光伏发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）和太阳跟踪控制系统组成。 1.3太阳能光伏发电系统的现状 随着低碳生活的到来，各国对太阳能光伏发电的认可和重视度越来越高。1997年，美国宣布发起“百万太阳能屋顶计划”和最近的“太阳能先导计划”；1998年，德国宣布于1999年实施“十万太阳能屋顶计划”；日本和欧洲光伏应用市场也迅速增加。而中国2009年提出了《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》、2010年国务院颁布的《关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》以及“十二五”计划等政策支持光伏发电产业的发展。截至2011年底中国太阳能光伏发电累计装机量达300万千瓦。 随着科研资金的大力投入和产业的快速发展，太阳能光伏发电技术得到较大的发展。其中太阳能电池组件已有晶硅电池（单晶硅和多晶硅）、非晶硅薄膜电池，转化率越来越高，单价越来越便宜。近年来发展的太阳跟踪控制系统大大的提高太阳能电池组件的发电效率。 1.4 太阳能光伏发电系统的前景 太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。预计到2030年，可再生能源在总能源结构中将占到30%以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应 中的占比也将达到10%以上；到2040年，可再生能源将占总能耗的50%以上，太阳能光伏发电将占总电力的20%以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80%以上，太阳能发电将占到60%以上。
●简单控制系统的组成 四个基本组成部分：被控对象、检测与变送仪表、调节器（控制器）、执行机构。 简单控制系统的工作过程 变量、执行器、控制器类型的确定 ●串级控制系统的组成 四个基本组成部分：两个被控对象、两套检测与变送仪表、两个调节器（控制器）、执行机构。 系统主副控制器正、反作用方向的确定： 先副后主 特点：在系统结构上，它是由两个闭环回路，副回路起快速的“粗调”作用，主回路则起“细调”作用，系统的鲁棒性好，副回路是一个随动控制系统，所以系统对负荷的改变有一定的自适应能力 ●均匀控制系统的特点 结构上无特殊性，区别在控制目的和参数的整定 工艺参数应在允许的范围内缓慢变化 ●比值控制系统使一中物料随另一种物料按一定的比例变化的控制系统 比值和比值系数的计算 ●前馈控制系统是测量进入过程的干扰（包括外界干扰和设定值变化），并按其信号产生 合适的控制作用去改变操纵变量，使被控变量维持在设定值上
● 分程控制系统是一台调节器的输出仅操纵一个调节阀, 若一台调节器去控制两个以上 的调节阀, 并且是按输出信号的不同区间去操作不同的阀门, 这种控制方式习惯上称为分程控制。 ● 选择控制系统是生产过程中的限制条件所构成的逻辑关系，叠加到正常的自动控制系统 上去的一种组合控制方法。至操作极限时，通过选择器把一个用于控制不安全情况的备用控制系统取代正常工况下，待回到正常工况后又切回到正常工况下。 ● 图为锅炉汽包液位控制系统，生产工艺要求汽包水位一定必须稳定。 1）指出该系统为什么样的系统； 2）指出被控参数和控制参数 3）确定调节阀应该选气开还是气关？并说明原因。 4）调节器的控制规律及其正、反作用方式？并说明原因 答；1）、单回路控制系统 （2）、被控参数为汽包液位、控制参数给水流量 （3）应选择气关式。因为在气源压力中断时，调节阀可以自动打开，以保证锅炉不被烧干 （ 4）调节阀应选择气关式，则液位控制器应为正作用，当检测到液位增加时，控制器应加大输出，则调节阀关小，使汽包液位稳定或当检测到液位增减小时，控制器应减小输出，则调节阀开大，使汽包液位稳定 ● 如下图所示的管式加热炉出口温度控制系统，主要扰动来自燃料流量的波动，试分析： （1）该系统是一个什么类型的控制系统？画出其方框图 （2）确定调节阀的气开气关形式，并说明原因 （3）确定两个调节器的正反作用。 LS TC TT LC LT